สิ่งที่แสดงให้เห็นประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน ประสิทธิภาพเครื่องยนต์ความร้อน-สูตร ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนแบบผันกลับและกลับไม่ได้

ค่าสัมประสิทธิ์ การกระทำที่เป็นประโยชน์(ประสิทธิภาพ)เป็นลักษณะของประสิทธิภาพของระบบที่เกี่ยวข้องกับการแปลงหรือถ่ายโอนพลังงานซึ่งกำหนดโดยอัตราส่วนของพลังงานที่มีประโยชน์ที่ใช้กับพลังงานทั้งหมดที่ระบบได้รับ

ประสิทธิภาพ- ปริมาณไร้มิติ มักจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์:

ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (ประสิทธิภาพ) ของเครื่องยนต์ความร้อนถูกกำหนดโดยสูตร: โดยที่ A = Q1Q2 ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจะน้อยกว่า 1 เสมอ

วงจรการ์โนต์เป็นกระบวนการก๊าซทรงกลมแบบผันกลับได้ ซึ่งประกอบด้วยกระบวนการไอโซเทอร์มอลสองกระบวนการและกระบวนการอะเดียแบติกสองกระบวนการต่อเนื่องตามลำดับที่ดำเนินการกับของไหลทำงาน

วงจรวงกลมซึ่งประกอบด้วยไอโซเทอร์มสองตัวและอะเดียแบทสองตัว สอดคล้องกับประสิทธิภาพสูงสุด

วิศวกรชาวฝรั่งเศส Sadi Carnot ในปี 1824 ได้คิดค้นสูตรสำหรับประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ โดยที่ของไหลทำงานคือก๊าซในอุดมคติ โดยมีวัฏจักรประกอบด้วยไอโซเทอร์มสองตัวและอะเดียแบทสองตัว นั่นคือ วัฏจักรการ์โนต์ วงจรการ์โนต์เป็นวงจรการทำงานที่แท้จริงของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานเนื่องจากความร้อนที่จ่ายให้กับของไหลทำงานในกระบวนการไอโซเทอร์มอล

สูตรประสิทธิภาพของวัฏจักรการ์โนต์ เช่น ประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อน มีรูปแบบดังนี้ โดยที่ T1 คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของฮีตเตอร์ T2 คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของตู้เย็น

เครื่องยนต์ร้อน- เป็นโครงสร้างที่พลังงานความร้อนถูกแปลงเป็นพลังงานกล

เครื่องยนต์ความร้อนมีความหลากหลายทั้งในด้านการออกแบบและวัตถุประสงค์ ได้แก่เครื่องยนต์ไอน้ำ กังหันไอน้ำ เครื่องยนต์ การเผาไหม้ภายใน,เครื่องยนต์ไอพ่น

อย่างไรก็ตาม แม้จะมีความหลากหลาย แต่โดยหลักการแล้วการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนต่างๆ ก็มีคุณสมบัติที่เหมือนกัน ส่วนประกอบหลักของเครื่องยนต์ความร้อนทุกตัวคือ:

• เครื่องทำความร้อน;
• สารทำงาน;
• ตู้เย็น.

เครื่องทำความร้อนส่งเสียงออกมา พลังงานความร้อนในขณะที่ให้ความร้อนแก่สารทำงานซึ่งอยู่ในห้องทำงานของเครื่องยนต์ สารทำงานอาจเป็นไอน้ำหรือแก๊ส

เมื่อยอมรับปริมาณความร้อนแล้วก๊าซจะขยายตัวเพราะ แรงดันของมันมากกว่าแรงดันภายนอก และลูกสูบเคลื่อนที่ ทำให้เกิดการทำงานเชิงบวก ในขณะเดียวกัน ความดันก็ลดลงและปริมาตรก็เพิ่มขึ้น

ถ้าเราอัดแก๊สโดยผ่านสถานะเดียวกัน แต่ไปในทิศทางตรงกันข้าม เราจะทำค่าสัมบูรณ์เท่ากัน แต่ทำงานเป็นลบ เป็นผลให้งานทั้งหมดต่อรอบจะเป็นศูนย์

เพื่อให้การทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนแตกต่างจากศูนย์ งานอัดแก๊สต้องน้อยกว่างานขยาย

เพื่อให้งานอัดน้อยกว่างานขยายจำเป็นที่กระบวนการอัดจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำกว่าด้วยเหตุนี้จึงต้องทำให้สารทำงานเย็นลงซึ่งเป็นสาเหตุที่รวมตู้เย็นไว้ในการออกแบบ ของเครื่องยนต์ความร้อน สารทำงานจะถ่ายเทความร้อนไปยังตู้เย็นเมื่อสัมผัสกับมัน

งานที่เครื่องยนต์ทำคือ:

กระบวนการนี้ได้รับการพิจารณาครั้งแรกโดยวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส N. L. S. Carnot ในปี 1824 ในหนังสือ “Reflections on แรงผลักดันไฟและเครื่องจักรที่สามารถพัฒนากำลังนี้ได้”

เป้าหมายของการวิจัยของ Carnot คือการค้นหาสาเหตุของความไม่สมบูรณ์ของเครื่องยนต์ความร้อนในเวลานั้น (มีประสิทธิภาพ ≤ 5%) และค้นหาวิธีปรับปรุง

วัฏจักรคาร์โนต์มีประสิทธิภาพมากที่สุด ประสิทธิภาพสูงสุด

รูปนี้แสดงกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ของวัฏจักร ในระหว่างการขยายตัวของอุณหภูมิคงที่ (1-2) ที่อุณหภูมิ ต 1 งานเสร็จสิ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของเครื่องทำความร้อนเช่น เนื่องจากการจ่ายความร้อนให้กับแก๊ส ถาม:

ก 12 = ถาม 1 ,

การระบายความร้อนด้วยแก๊สก่อนการบีบอัด (3-4) เกิดขึ้นระหว่างการขยายตัวแบบอะเดียแบติก (2-3) การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน ∆U 23 ในระหว่างกระบวนการอะเดียแบติก ( ถาม = 0) ถูกแปลงเป็นงานเครื่องกลโดยสมบูรณ์:

ก 23 = -∆U 23 ,

อุณหภูมิของก๊าซอันเป็นผลมาจากการขยายตัวแบบอะเดียแบติก (2-3) ลดลงจนถึงอุณหภูมิของตู้เย็น ต 2 < ต 1 - ในกระบวนการ (3-4) ก๊าซจะถูกบีบอัดด้วยความร้อนเพื่อถ่ายเทปริมาณความร้อนไปยังตู้เย็น คำถามที่ 2:

ก 34 = ค 2,

วงจรจบลงด้วยกระบวนการอัดอะเดียแบติก (4-1) ซึ่งก๊าซจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิหนึ่ง ที 1.

ค่าประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อนจากแก๊สในอุดมคติตามวัฏจักรการ์โนต์:

.

สาระสำคัญของสูตรแสดงออกมาในการพิสูจน์แล้ว กับ- ทฤษฎีบทของการ์โนต์ที่ว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนใดๆ จะต้องไม่เกินประสิทธิภาพของวงจรการ์โนต์ที่ทำงานที่อุณหภูมิเดียวกันของเครื่องทำความร้อนและตู้เย็น

« ฟิสิกส์ - ชั้นประถมศึกษาปีที่ 10"

ระบบอุณหพลศาสตร์คืออะไรและพารามิเตอร์ใดที่แสดงถึงสถานะของระบบ
ระบุกฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์

เป็นการสร้างทฤษฎีเครื่องยนต์ความร้อนที่นำไปสู่การกำหนดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

พลังงานสำรองภายในเปลือกโลกและมหาสมุทรถือได้ว่าไม่มีขีดจำกัดในทางปฏิบัติ แต่การแก้ปัญหาในทางปฏิบัติ การมีพลังงานสำรองยังไม่เพียงพอ นอกจากนี้ยังจำเป็นที่จะต้องใช้พลังงานในการติดตั้งเครื่องมือกลเคลื่อนที่ในโรงงานและโรงงาน ยานพาหนะ รถแทรกเตอร์ และเครื่องจักรอื่นๆ เพื่อหมุนโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า ฯลฯ มนุษยชาติต้องการเครื่องยนต์ - อุปกรณ์ที่สามารถทำงานได้ เครื่องยนต์ส่วนใหญ่บนโลกมี เครื่องยนต์ความร้อน.

เครื่องยนต์ร้อน- เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานภายในของเชื้อเพลิงเป็นงานเครื่องกล

หลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน

เพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานได้ จำเป็นต้องมีแรงดันที่แตกต่างกันทั้งสองด้านของลูกสูบเครื่องยนต์หรือใบพัดกังหัน ในเครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อนทั้งหมด ความแตกต่างของแรงดันนี้เกิดขึ้นได้จากการเพิ่มอุณหภูมิ ของไหลทำงาน(ก๊าซ) หลายร้อยหรือหลายพันองศาเมื่อเทียบกับอุณหภูมิโดยรอบ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้เกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงเผาไหม้

หนึ่งในส่วนหลักของเครื่องยนต์คือถังบรรจุก๊าซพร้อมลูกสูบที่เคลื่อนที่ได้ สารทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนทั้งหมดคือแก๊ส ซึ่งจะทำงานในระหว่างการขยายตัว ให้เราแสดงอุณหภูมิเริ่มต้นของของไหลทำงาน (แก๊ส) ด้วย T 1 . อุณหภูมินี้ในกังหันไอน้ำหรือเครื่องจักรทำได้โดยไอน้ำในหม้อต้มไอน้ำ ในเครื่องยนต์สันดาปภายในและกังหันก๊าซ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงเผาไหม้ภายในเครื่องยนต์ เรียกว่าอุณหภูมิ T 1 อุณหภูมิเครื่องทำความร้อน.

บทบาทของตู้เย็น

เมื่องานเสร็จสิ้น ก๊าซจะสูญเสียพลังงานและทำให้เย็นลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้จนถึงอุณหภูมิ T2 ซึ่งโดยปกติจะสูงกว่าอุณหภูมิโดยรอบเล็กน้อย พวกเขาโทรหาเธอ อุณหภูมิตู้เย็น- ตู้เย็น คือบรรยากาศหรืออุปกรณ์พิเศษสำหรับทำความเย็นและควบแน่นไอน้ำเสีย - ตัวเก็บประจุ- ในกรณีหลัง อุณหภูมิของตู้เย็นอาจต่ำกว่าอุณหภูมิโดยรอบเล็กน้อย

ดังนั้นในเครื่องยนต์ สารทำงานในระหว่างการขยายตัวไม่สามารถละทิ้งพลังงานภายในทั้งหมดในการทำงานได้ ความร้อนบางส่วนถูกส่งไปยังตู้เย็น (บรรยากาศ) อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้พร้อมกับไอน้ำเสียหรือก๊าซไอเสียจากเครื่องยนต์สันดาปภายในและกังหันก๊าซ

พลังงานภายในของเชื้อเพลิงส่วนนี้จะหายไป เครื่องยนต์ความร้อนทำงานเนื่องจากพลังงานภายในของของไหลทำงาน ยิ่งไปกว่านั้น ในกระบวนการนี้ ความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากตัวที่ร้อนกว่า (เครื่องทำความร้อน) ไปยังตัวที่เย็นกว่า (ตู้เย็น) แผนผังเครื่องยนต์ความร้อนแสดงในรูปที่ 13.13

สารทำงานของเครื่องยนต์จะได้รับปริมาณความร้อน Q 1 จากเครื่องทำความร้อนระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิง ทำงาน A" และถ่ายเทปริมาณความร้อนไปยังตู้เย็น คำถามที่ 2< Q 1 .

เพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานอย่างต่อเนื่องจำเป็นต้องคืนสารทำงานให้กลับสู่สถานะเริ่มต้นที่อุณหภูมิของสารทำงานเท่ากับ T 1 เป็นไปตามที่เครื่องยนต์ทำงานตามกระบวนการปิดซ้ำเป็นระยะหรือตามที่พวกเขาพูดเป็นรอบ

วงจรเป็นชุดของกระบวนการซึ่งเป็นผลมาจากการที่ระบบกลับสู่สถานะเริ่มต้น

ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (ประสิทธิภาพ) ของเครื่องยนต์ความร้อน

ความเป็นไปไม่ได้ที่จะแปลงพลังงานภายในของก๊าซไปเป็นการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนอย่างสมบูรณ์นั้นเกิดจากการที่กระบวนการในธรรมชาติกลับไม่ได้ หากความร้อนสามารถกลับคืนมาจากตู้เย็นไปยังเครื่องทำความร้อนได้เอง พลังงานภายในก็สามารถเปลี่ยนให้เป็นงานที่มีประโยชน์ได้อย่างสมบูรณ์ด้วยเครื่องยนต์ความร้อน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สามารถระบุได้ดังนี้:

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์:
ไม่สามารถสร้างได้ เครื่องเคลื่อนไหวตลอดแบบที่ 2 ซึ่งจะเปลี่ยนความร้อนเป็นงานเครื่องกลได้อย่างสมบูรณ์

ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน งานของเครื่องยนต์มีค่าเท่ากับ:

ก" = ค 1 - | ค 2 |, (13.15)

โดยที่ Q 1 คือปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน และ Q2 คือปริมาณความร้อนที่มอบให้กับตู้เย็น

ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (ประสิทธิภาพ) ของเครื่องยนต์ความร้อนคืออัตราส่วนของงาน A "ที่เครื่องยนต์ทำต่อปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน:

เนื่องจากเครื่องยนต์ทั้งหมดถ่ายเทความร้อนจำนวนหนึ่งไปยังตู้เย็น ดังนั้น η< 1.

ค่าประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อน

กฎของอุณหพลศาสตร์ทำให้สามารถคำนวณประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานด้วยเครื่องทำความร้อนที่อุณหภูมิ T1 และตู้เย็นที่อุณหภูมิ T2 รวมถึงกำหนดวิธีในการเพิ่มขึ้น

เป็นครั้งแรกที่ Sadi Carnot วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส (พ.ศ. 2339-2375) คำนวณประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ความร้อนในงานของเขา "ภาพสะท้อนของแรงผลักดันของไฟและบนเครื่องจักรที่สามารถพัฒนาพลังนี้ได้" (1824 ).

การ์โนต์ได้คิดค้นเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติด้วย ก๊าซในอุดมคติเป็นของเหลวทำงาน เครื่องยนต์ความร้อนคาร์โนต์ในอุดมคติทำงานบนวงจรที่ประกอบด้วยไอโซเทอร์มสองตัวและอะเดียแบทสองตัว และกระบวนการเหล่านี้ถือว่าสามารถย้อนกลับได้ (รูปที่ 13.14) ขั้นแรก ให้นำภาชนะที่มีก๊าซไปสัมผัสกับเครื่องทำความร้อน ก๊าซจะขยายตัวตามอุณหภูมิความร้อน ทำงานเชิงบวก ที่อุณหภูมิ T 1 และได้รับความร้อนจำนวน Q 1

จากนั้นภาชนะจะถูกหุ้มฉนวนความร้อนก๊าซยังคงขยายตัวแบบอะเดียแบติกในขณะที่อุณหภูมิลดลงถึงอุณหภูมิของตู้เย็น T 2 หลังจากนั้นก๊าซจะสัมผัสกับตู้เย็นในระหว่างการบีบอัดด้วยความร้อนจะให้ปริมาณความร้อน Q 2 แก่ตู้เย็นโดยบีบอัดให้มีปริมาตร V 4< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

จากสูตร (13.17) ต่อไปนี้ ประสิทธิภาพของเครื่องจักร Carnot จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิสัมบูรณ์ของเครื่องทำความร้อนและตู้เย็น

ความสำคัญหลักของสูตรนี้คือระบุวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนหรือลดอุณหภูมิของตู้เย็นลง

เครื่องยนต์ความร้อนจริงใดๆ ที่ทำงานโดยใช้เครื่องทำความร้อนที่อุณหภูมิ T1 และตู้เย็นที่อุณหภูมิ T2 ไม่สามารถมีประสิทธิภาพเกินกว่าเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ: กระบวนการที่ประกอบเป็นวัฏจักรของเครื่องยนต์ความร้อนจริงไม่สามารถย้อนกลับได้

สูตร (13.17) ให้ขีดจำกัดทางทฤษฎีสำหรับค่าประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อน มันแสดงให้เห็นว่าเครื่องยนต์ความร้อนมีประสิทธิภาพมากขึ้น อุณหภูมิที่แตกต่างกันระหว่างเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

เฉพาะที่อุณหภูมิตู้เย็นเท่ากับศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้นที่จะทำ η = 1 นอกจากนี้ยังได้รับการพิสูจน์แล้วว่าประสิทธิภาพที่คำนวณโดยใช้สูตร (13.17) ไม่ได้ขึ้นอยู่กับสารทำงาน

แต่อุณหภูมิของตู้เย็นซึ่งมักจะมีบทบาทโดยบรรยากาศนั้นไม่สามารถต่ำกว่าอุณหภูมิอากาศโดยรอบได้ คุณสามารถเพิ่มอุณหภูมิเครื่องทำความร้อนได้ อย่างไรก็ตาม วัสดุใดๆ (ตัวเครื่องที่เป็นของแข็ง) มีความต้านทานความร้อนหรือความต้านทานความร้อนจำกัด เมื่อถูกความร้อนจะค่อยๆสูญเสียคุณสมบัติความยืดหยุ่นและเมื่อเพียงพอ อุณหภูมิสูงละลาย

ขณะนี้ความพยายามหลักของวิศวกรมุ่งเป้าไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์โดยการลดแรงเสียดทานของชิ้นส่วน การสูญเสียเชื้อเพลิงเนื่องจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ เป็นต้น

สำหรับกังหันไอน้ำ อุณหภูมิไอน้ำเริ่มต้นและสุดท้ายจะอยู่ที่ประมาณดังนี้: T 1 - 800 K และ T 2 - 300 K ที่อุณหภูมิเหล่านี้ ค่าสูงสุดประสิทธิภาพคือ 62% (โปรดทราบว่าประสิทธิภาพมักจะวัดเป็นเปอร์เซ็นต์) ค่าประสิทธิภาพที่แท้จริงเนื่องจากการสูญเสียพลังงานประเภทต่างๆ อยู่ที่ประมาณ 40% ประสิทธิภาพสูงสุด - ประมาณ 44% - ทำได้โดยเครื่องยนต์ดีเซล

การคุ้มครองสิ่งแวดล้อม

มันยากที่จะจินตนาการ โลกสมัยใหม่ไม่มีเครื่องยนต์ความร้อน พวกเขาคือคนที่ทำให้เรามีชีวิตที่สะดวกสบาย เครื่องยนต์ความร้อนขับเคลื่อนยานพาหนะ ไฟฟ้าประมาณ 80% แม้ว่าจะมีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แต่ก็ผลิตโดยใช้เครื่องยนต์พลังความร้อน

อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้งานเครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อน จะเกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ นี่เป็นข้อขัดแย้ง: ในด้านหนึ่งมนุษยชาติต้องการพลังงานมากขึ้นทุกปีซึ่งส่วนหลักได้มาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงในทางกลับกันกระบวนการเผาไหม้จะมาพร้อมกับมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

เมื่อเชื้อเพลิงเผาไหม้ ปริมาณออกซิเจนในบรรยากาศจะลดลง นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ยังก่อให้เกิดสารประกอบทางเคมีที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตอีกด้วย มลพิษไม่เพียงเกิดขึ้นบนพื้นดินเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในอากาศด้วย เนื่องจากการบินด้วยเครื่องบินทุกครั้งจะมาพร้อมกับการปล่อยสิ่งเจือปนที่เป็นอันตรายออกสู่ชั้นบรรยากาศ

ผลที่ตามมาอย่างหนึ่งของเครื่องยนต์คือการก่อตัวของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งดูดซับรังสีอินฟราเรดจากพื้นผิวโลกซึ่งทำให้อุณหภูมิในบรรยากาศเพิ่มขึ้น นี่คือสิ่งที่เรียกว่าภาวะเรือนกระจก การวัดพบว่าอุณหภูมิบรรยากาศเพิ่มขึ้น 0.05 °C ต่อปี อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องดังกล่าวอาจทำให้น้ำแข็งละลาย ซึ่งจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำในมหาสมุทร เช่น น้ำท่วมในทวีปต่างๆ

ให้เราสังเกตจุดลบอีกจุดหนึ่งเมื่อใช้เครื่องมือความร้อน ดังนั้นบางครั้งน้ำจากแม่น้ำและทะเลสาบก็ถูกนำมาใช้เพื่อทำให้เครื่องยนต์เย็นลง จากนั้นน้ำอุ่นจะถูกส่งกลับ การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในแหล่งน้ำรบกวนความสมดุลทางธรรมชาติ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่ามลภาวะทางความร้อน

เพื่อปกป้องสิ่งแวดล้อมต่างๆ ทำความสะอาดตัวกรองการออกแบบเครื่องยนต์กำลังได้รับการปรับปรุงเพื่อป้องกันการปล่อยสารอันตรายสู่ชั้นบรรยากาศ มีการปรับปรุงเชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่องซึ่งผลิตสารที่เป็นอันตรายน้อยลงระหว่างการเผาไหม้ตลอดจนเทคโนโลยีการเผาไหม้ แหล่งพลังงานทางเลือกที่ใช้ลม รังสีแสงอาทิตย์ และพลังงานนิวเคลียร์กำลังได้รับการพัฒนาอย่างแข็งขัน มีการผลิตรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์แล้ว

เพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานได้ จำเป็นต้องมีความแตกต่างของแรงดันทั้งสองด้านของลูกสูบเครื่องยนต์หรือใบพัดกังหัน ในเครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อนทั้งหมด ความแตกต่างของแรงดันนี้เกิดขึ้นได้โดยการเพิ่มอุณหภูมิของของไหลทำงานขึ้นหลายร้อยองศาเมื่อเทียบกับอุณหภูมิโดยรอบ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้เกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงเผาไหม้

สารทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนทั้งหมดคือแก๊ส (ดูมาตรา 3.11) ซึ่งทำงานในระหว่างการขยายตัว ให้เราแสดงอุณหภูมิเริ่มต้นของของไหลทำงาน (แก๊ส) โดย ต 1 - อุณหภูมินี้ในกังหันไอน้ำหรือเครื่องจักรทำได้โดยไอน้ำในหม้อต้มไอน้ำ ในเครื่องยนต์สันดาปภายในและกังหันก๊าซ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงเผาไหม้ภายในเครื่องยนต์ อุณหภูมิ ต 1 เรียกว่าอุณหภูมิเครื่องทำความร้อน

บทบาทของตู้เย็น

เมื่องานเสร็จสิ้น ก๊าซจะสูญเสียพลังงานและทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ต 2 - อุณหภูมินี้ต้องไม่ต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อม เนื่องจากมิฉะนั้นความดันก๊าซจะน้อยกว่าบรรยากาศและเครื่องยนต์จะไม่สามารถทำงานได้ โดยปกติจะมีอุณหภูมิ ต 2 สูงกว่าอุณหภูมิโดยรอบเล็กน้อย เรียกว่าอุณหภูมิตู้เย็น ตู้เย็น คือบรรยากาศหรืออุปกรณ์พิเศษสำหรับทำความเย็นและควบแน่นไอน้ำเสีย-คอนเดนเซอร์ ในกรณีหลังนี้อุณหภูมิตู้เย็นอาจต่ำกว่าอุณหภูมิบรรยากาศเล็กน้อย

ดังนั้นในเครื่องยนต์ สารทำงานในระหว่างการขยายตัวไม่สามารถละทิ้งพลังงานภายในทั้งหมดในการทำงานได้ พลังงานบางส่วนถูกถ่ายโอนไปยังชั้นบรรยากาศ (ตู้เย็น) อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้พร้อมกับไอน้ำเสียหรือก๊าซไอเสียจากเครื่องยนต์สันดาปภายในและกังหันก๊าซ พลังงานภายในส่วนนี้สูญเสียไปอย่างไม่อาจแก้ไขได้ นี่คือสิ่งที่กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์กล่าวไว้ในสูตรของเคลวิน

แผนผังของเครื่องยนต์ความร้อนแสดงไว้ในรูปที่ 5.15 สารทำงานของเครื่องยนต์จะได้รับปริมาณความร้อนระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิง ถาม 1 , ไม่ทำงาน เอ"และถ่ายเทปริมาณความร้อนไปยังตู้เย็น | ถาม 2 | <| ถาม 1 |.

ประสิทธิภาพความร้อนของเครื่องยนต์

ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน งานที่ทำโดยเครื่องยนต์มีค่าเท่ากับ

(5.11.1)

ที่ไหน ถาม 1 - ปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน ก ถาม 2 - ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทไปยังตู้เย็น

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนคืออัตราส่วนของงาน เอ"ดำเนินการโดยเครื่องยนต์ ตามปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน:

(5.11.2)

สำหรับกังหันไอน้ำ เครื่องทำความร้อนคือหม้อต้มไอน้ำ และสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน เครื่องทำความร้อนคือผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั่นเอง

เนื่องจากเครื่องยนต์ทั้งหมดถ่ายเทความร้อนจำนวนหนึ่งไปยังตู้เย็น ดังนั้น η< 1.

การประยุกต์ใช้เครื่องยนต์ความร้อน

สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการใช้เครื่องยนต์ความร้อน (กังหันไอน้ำที่ทรงพลังเป็นหลัก) ในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนซึ่งพวกมันขับเคลื่อนโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า ประมาณ 80% ของไฟฟ้าทั้งหมดในประเทศของเราผลิตจากโรงไฟฟ้าพลังความร้อน

เครื่องยนต์ระบายความร้อน (กังหันไอน้ำ) ได้รับการติดตั้งในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ด้วย ที่สถานีเหล่านี้ พลังงานของนิวเคลียสของอะตอมจะถูกนำมาใช้เพื่อผลิตไอน้ำอุณหภูมิสูง

การขนส่งสมัยใหม่ทุกประเภทหลักๆ ล้วนใช้เครื่องยนต์ความร้อนเป็นหลัก รถยนต์ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบที่มีรูปแบบภายนอกของส่วนผสมที่ติดไฟได้ (เครื่องยนต์คาร์บูเรเตอร์) และเครื่องยนต์ที่มีการก่อตัวของส่วนผสมที่ติดไฟได้โดยตรงภายในกระบอกสูบ (ดีเซล) เครื่องยนต์แบบเดียวกันนี้ติดตั้งอยู่บนรถแทรกเตอร์

ในการขนส่งทางรถไฟจนถึงกลางศตวรรษที่ 20 เครื่องยนต์หลักคือเครื่องจักรไอน้ำ ในปัจจุบันนี้ส่วนใหญ่จะใช้ตู้รถไฟดีเซลและตู้รถไฟไฟฟ้าเป็นหลัก แต่ตู้รถไฟไฟฟ้ายังได้รับพลังงานจากเครื่องยนต์พลังความร้อนของโรงไฟฟ้าอีกด้วย

การขนส่งทางน้ำใช้ทั้งเครื่องยนต์สันดาปภายในและกังหันอันทรงพลังสำหรับเรือขนาดใหญ่

ในการบิน เครื่องยนต์ลูกสูบจะถูกติดตั้งบนเครื่องบินเบา ส่วนเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อปและไอพ่น ซึ่งจัดว่าเป็นเครื่องยนต์ระบายความร้อนก็ติดตั้งบนเครื่องบินโดยสารขนาดใหญ่ เครื่องยนต์ไอพ่นยังใช้กับจรวดอวกาศด้วย

หากไม่มีเครื่องยนต์ความร้อน อารยธรรมสมัยใหม่ก็เป็นสิ่งที่คิดไม่ถึง เราจะไม่มีไฟฟ้าราคาถูกและจะขาดการคมนาคมความเร็วสูงที่ทันสมัยทุกประเภท

ความสำคัญหลักของสูตร (5.12.2) ที่ Carnot ได้รับสำหรับประสิทธิภาพของเครื่องจักรในอุดมคติคือเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ความร้อนใดๆ

การ์โนต์ได้รับการพิสูจน์ตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์* โดยมีทฤษฎีบทต่อไปนี้: เครื่องยนต์ความร้อนจริงใด ๆ ที่ทำงานด้วยเครื่องทำความร้อนอุณหภูมิต 1 และอุณหภูมิตู้เย็นต 2 ไม่สามารถมีประสิทธิภาพเกินกว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติได้

* จริงๆ แล้ว การ์โนต์ได้กำหนดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ก่อนซานตาคลอสและเคลวิน ในเมื่อกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ยังไม่ได้กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด

ก่อนอื่นให้เราพิจารณาเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานในวงจรแบบผันกลับได้โดยใช้ก๊าซจริง วงจรสามารถเป็นอะไรก็ได้สิ่งสำคัญคืออุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นเท่านั้น ต 1 และ ต 2 .

สมมติว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนอื่น (ไม่ได้ทำงานตามวัฏจักรการ์โนต์) η ’ > η . เครื่องทำงานโดยใช้เครื่องทำความร้อนทั่วไปและตู้เย็นทั่วไป ปล่อยให้เครื่องคาร์โนต์ทำงานในวงจรย้อนกลับ (เช่น เครื่องทำความเย็น) และปล่อยให้อีกเครื่องทำงานในวงจรเดินหน้า (รูปที่ 5.18) เครื่องยนต์ความร้อนทำงานเท่ากับตามสูตร (5.12.3) และ (5.12.5):

เครื่องทำความเย็นสามารถออกแบบให้ดึงปริมาณความร้อนจากตู้เย็นได้เสมอ ถาม 2 = ||

จากนั้นตามสูตร (5.12.7) งานก็จะเสร็จสิ้น

(5.12.12)

เนื่องจากตามเงื่อนไข η"> η , ที่ เอ">ก.ดังนั้นเครื่องยนต์ความร้อนจึงสามารถขับเคลื่อนเครื่องทำความเย็นได้และยังมีงานเหลืออยู่อีกด้วย งานที่เกินมานี้จะกระทำโดยความร้อนที่นำมาจากแหล่งเดียว ท้ายที่สุดความร้อนจะไม่ถูกถ่ายโอนไปยังตู้เย็นเมื่อเครื่องสองเครื่องทำงานพร้อมกัน แต่สิ่งนี้ขัดแย้งกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

ถ้าเราถือว่า η > η ", จากนั้นคุณสามารถทำให้เครื่องจักรอื่นทำงานในวงจรย้อนกลับ และเครื่องคาร์โนต์ในรอบไปข้างหน้าได้ เราจะขัดแย้งกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์อีกครั้ง ดังนั้น เครื่องจักรสองเครื่องที่ทำงานด้วยวงจรแบบพลิกกลับได้จึงมีประสิทธิภาพเท่ากัน: η " = η .

จะเป็นอีกเรื่องหนึ่งหากเครื่องจักรเครื่องที่สองทำงานในวงจรที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ ถ้าเราถือว่า η " > η , แล้วเราจะกลับมาขัดแย้งกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์อีกครั้ง อย่างไรก็ตาม สมมติฐาน t|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η หรือ

นี่คือผลลัพธ์หลัก:

(5.12.13)

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจริง

สูตร (5.12.13) ให้ขีดจำกัดทางทฤษฎีสำหรับค่าประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อน มันแสดงให้เห็นว่ายิ่งอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนสูงขึ้นและอุณหภูมิของตู้เย็นต่ำลง เครื่องยนต์ความร้อนก็จะยิ่งมีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่านั้น เฉพาะที่อุณหภูมิตู้เย็นเท่ากับศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้นที่จะ η = 1

แต่อุณหภูมิของตู้เย็นไม่สามารถต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อมได้มากนัก คุณสามารถเพิ่มอุณหภูมิเครื่องทำความร้อนได้ อย่างไรก็ตาม วัสดุใดๆ (ตัวเครื่องที่เป็นของแข็ง) มีความต้านทานความร้อนหรือความต้านทานความร้อนจำกัด เมื่อถูกความร้อนจะค่อยๆสูญเสียคุณสมบัติความยืดหยุ่นและละลายที่อุณหภูมิสูงพอสมควร

ขณะนี้ความพยายามหลักของวิศวกรมุ่งเป้าไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์โดยการลดแรงเสียดทานของชิ้นส่วน การสูญเสียเชื้อเพลิงเนื่องจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ ฯลฯ โอกาสที่แท้จริงในการเพิ่มประสิทธิภาพที่นี่ยังคงมีอยู่มาก ดังนั้น สำหรับกังหันไอน้ำ อุณหภูมิไอน้ำเริ่มต้นและสุดท้ายจะเป็นดังนี้โดยประมาณ: ต 1 = 800 เค และ ต 2 = 300 K ที่อุณหภูมิเหล่านี้ ค่าประสิทธิภาพสูงสุดคือ:

ค่าประสิทธิภาพที่แท้จริงเนื่องจากการสูญเสียพลังงานประเภทต่างๆ อยู่ที่ประมาณ 40% ประสิทธิภาพสูงสุด - ประมาณ 44% - ทำได้โดยเครื่องยนต์สันดาปภายใน

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจะต้องไม่เกินค่าสูงสุดที่เป็นไปได้
, ที่ไหน T 1 - อุณหภูมิสัมบูรณ์ของเครื่องทำความร้อนและ T 2 - อุณหภูมิสัมบูรณ์ของตู้เย็น

เพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนและเข้าใกล้ระดับสูงสุดที่เป็นไปได้- ความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญที่สุด